JP2009526367A - System and method of shutdown for fuel cell system operation and corrosion prevention - Google Patents
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Abstract
複数の燃料電池を有し、各々が、アノードおよびカソードチャネルそれぞれを形成するアノードおよびカソード流界板間に挿入される膜電極アセンブリを含む、燃料電池スタックが提供される。蓄積装置は、該燃料電池スタックの下流に位置付けられる。パージ制御装置は、アノードおよびカソードチャネル間の流体連通を可能にする第1の状態、および蓄積装置から酸化剤出口を分離する第2の状態で動作可能な該蓄積装置の下流に位置付けられる。一部の実施形態は、アノードチャネルと蓄積装置との間にパージ制御装置を含む。燃料電池スタックの操作の方法は、最初に燃料電池スタックから蓄積装置内への流体を選択的にパージするステップと、1回目の後の2回目に、蓄積装置からの流体を選択的にパージするステップとを含む。A fuel cell stack is provided that includes a plurality of fuel cells, each including a membrane electrode assembly that is inserted between an anode and cathode flow field plate forming an anode and a cathode channel, respectively. A storage device is positioned downstream of the fuel cell stack. The purge control device is positioned downstream of the storage device operable in a first state allowing fluid communication between the anode and cathode channels and in a second state separating the oxidant outlet from the storage device. Some embodiments include a purge control device between the anode channel and the storage device. A method of operating a fuel cell stack includes selectively purging fluid from the fuel cell stack into the storage device first and selectively purging fluid from the storage device a second time after the first. Steps.
Description
(関連出願の引用)
本出願は、2006年2月7日出願の米国仮特許出願第60/______号)(以前は米国特許出願第11/350263号であって、2007年1月17日の請求により仮出願に変更)の米国特許法119条(e)項の利益を主張するものであり、この出願は、その全体を参考として本明細書に援用される。
(Citation of related application)
This application is US Provisional Patent Application No. 60 / ______ filed on Feb. 7, 2006 (formerly US Patent Application No. 11/350263, which was changed to a provisional application on request of January 17, 2007) ) And claims the benefit of Section 119 (e) of U.S. Patent Law, which is hereby incorporated by reference in its entirety.
(発明の分野)
本発明は、燃料電池または電解槽電池またはそのような電池のスタックなどの、イオン交換膜を有する電気化学エネルギ変換器に関し、より具体的には、それらを使用して腐食を防ぐためのシステムおよび方法に関する。
(Field of Invention)
The present invention relates to electrochemical energy converters having ion exchange membranes, such as fuel cells or electrolyzer cells or stacks of such cells, and more particularly to systems for using them to prevent corrosion and Regarding the method.
(関連技術の記述)
プロトン交換膜(PEM)などのイオン交換膜を備える電気化学燃料電池は、燃料および酸化剤が燃料電池電極で電気化学的に転換されて電力を生じる燃料電池として、または外部電流が、典型的に水を通って燃料電池電極間を通過し、各電極において水素および酸素の生成をもたらす電解槽として操作することができる。図1〜4は集合的に、従来の膜電極アセンブリ5、PEM2を備える電気化学燃料電池10、そのような燃料電池のスタック100、および燃料電池システム400の典型的な設計を図示する。
(Description of related technology)
An electrochemical fuel cell comprising an ion exchange membrane, such as a proton exchange membrane (PEM), is typically used as a fuel cell in which fuel and oxidant are electrochemically converted at the fuel cell electrode to produce power, or external current It can be operated as an electrolytic cell that passes between the fuel cell electrodes through water and provides hydrogen and oxygen production at each electrode. 1-4 collectively illustrate an exemplary design of a conventional membrane electrode assembly 5, an
各燃料電池10は、図1の分解図に図示されるもののような膜電極アセンブリ(「MEA」)5を備える。MEA5は、典型的に多孔性かつ導電性である第1および第2の電極層1、3の間に挿入されるPEM2を備え、それぞれは、所望の電気化学反応を推進するためにPEM2とのその境界面に電気触媒を備える。電気触媒は概して、燃料電池の電気化学的に活性な領域を画定する。MEA5は典型的に、接着された積層アセンブリとして強化される。
Each
図2の分解図で図示される一個の燃料電池10では、MEA5は、典型的に流体不浸透性かつ導電性である第1および第2の分離板11、12の間に挿入される。分離板11、12はグラファイトなどの非金属、特定等級の鋼または表面処理金属などの金属、または導電性プラスチック複合材物質から製造される。
In the
通路またはチャンバなどの流体流動空間は、分離板11、12と隣接する電極層1、3との間に提供され、電極層への反応物質のアクセスおよび生成物の除去を容易にする。そのような空間は、例えば、分離板11、12と対応する電極層1、3との間のスペーサを用いて、または分離板11、12と対応する電極層1、3との間の網目または多孔性流体流動層の提供によって、提供され得る。より一般的には、チャネルまたは流れ場は、電極層1、3と向かい合う分離板11、12の表面上に形成される。そのようなチャネルを備える分離板11、12は一般的に、流体流動界板と呼ばれる。従来の燃料電池10では、弾力性ガスケットまたはシールは典型的に、MEA5の面と分離板11、12のそれぞれとの間の流れ場の周囲に提供され、液体反応物質および生成物の流れの漏出を防ぐ。
A fluid flow space, such as a passage or chamber, is provided between the separator plates 11, 12 and the adjacent electrode layers 1, 3 to facilitate reactant access to the electrode layers and product removal. Such a space is formed by using, for example, a spacer between the separation plates 11 and 12 and the corresponding electrode layers 1 and 3, or a mesh between the separation plates 11 and 12 and the corresponding electrode layers 1 and 3. It can be provided by providing a porous fluid fluidized bed. More generally, the channel or flow field is formed on the surface of the separator plates 11, 12 facing the electrode layers 1, 3. Separating plates 11, 12 comprising such channels are generally referred to as fluid flow field plates. In a
時としてPEM燃料電池と呼ばれる、PEM2などのイオン交換膜を有する電気化学燃料電池10は有利に積み重ねられて、第1および第2の端板17、18間に配置される複数の燃料電池を備えるスタック100(図3参照)を形成する。圧縮機構は典型的に、燃料電池10をしっかりと共に保持するため、部品間の良好な電気接触を維持するため、およびシールを圧縮するために採用される。図2に図示されるように、各燃料電池10は、MEA5毎に2つの分離板を伴う構成において、一対の分離板11、12を備える。冷却空間または層は、スタック100内の隣接する一対の分離板11、12の一部または全ての間に提供することができる。代替的構成(図示せず)においては、単一の分離板、つまり「バイポーラ板」は、1つの燃料電池のカソードおよび隣接する燃料電池のアノードに接触する一対のMEA5の間に挿入され、それによってスタック100内のMEA5毎に1つだけの分離板が存在する(末端電池を除く)。そのようなスタック100は、それぞれの隣接した一対の燃料電池の間よりもむしろ、積み重ねのいくつかの燃料電池10ごとの間に挿入される冷却槽を備えることができる。
An
図示された燃料電池要素は、その中に開口部30が形成されており、積み重ねられたアセンブリにおいて、整列することにより、反応物質および生成物それぞれの供給および排出用の、および冷却空間が提供される場合は冷媒用の流体多岐管を形成する。再度、弾力性ガスケットまたはシールが、典型的には、MEA5の面とこれらの流体多岐管開口部30の周囲の分離板11、12のそれぞれとの間に提供され、動作スタック100内の流体の流れの漏出および混合を防ぐ。
The illustrated fuel cell element has an
電気化学燃料電池5および/またはスタック100を含む電気化学システムまたは器具の商業的実用化は、場合によっては、起動または運転停止またはその両方の際のスタックの腐食によって妨害されることがある。図4は、燃料電池スタック100を含む燃料電池システム400を図示する。起動時、空気はスタック100のアノードチャネル402に存在し得る。水素が起動時にスタック入口に供給され、アノードチャネル402の下流部に空気、および上流部に水素がある間、腐食が発生し得る。この腐食イベントの持続時間は、水素最前部をより高速でスタック100を通過させることによって、最小限化または削減することが可能である。したがって、複数の方法がスタック内の腐食を軽減するために開発されている。
Commercial implementation of an electrochemical system or instrument including electrochemical fuel cell 5 and / or
概して自動車システムに適用可能な、起動腐食を軽減する1つの方法では、アノード再利用送風機を使用することにより、アノード出口から、カソードチャンバからアノードチャンバへ拡散する過剰な燃料および/または窒素などの不活性流体の除去を促進し、入口へそれらを戻す。別の方法では、大型パージ弁が、アノードチャンバ内の過剰な燃料および/または不活性流体が除去されることを可能にする。しかし、これらの方法は障害を抱えている。例えば、アノード再利用送風機は費用がかかり、概して信頼性が低いので、それらの使用が高価になり、結果が予測不可能となる。大型パージ弁はかさばり、同様に高価であり、自動車などの限られた空間での使用に付加的な問題を生じる。加えて、大型パージ弁は、燃料ならびに窒素などの不活性流体を排出する可能性がある。 One way to mitigate start-up corrosion, which is generally applicable to automotive systems, is to use an anode recycling blower to avoid excess fuel and / or nitrogen that diffuses from the cathode outlet to the anode chamber from the anode outlet. Facilitates removal of active fluid and returns them to the inlet. In another method, a large purge valve allows excess fuel and / or inert fluid in the anode chamber to be removed. However, these methods have obstacles. For example, anode recycling fans are expensive and generally unreliable, making their use expensive and the results unpredictable. Large purge valves are bulky and equally expensive, creating additional problems for use in confined spaces such as automobiles. In addition, large purge valves can vent fuel and inert fluids such as nitrogen.
腐食がスタック100内に生じる付加的な機会は、スタック100の運転停止中に存在する。運転停止後、水素などの燃料は膜406にわたる拡散によって、各燃料電池のアノードチャンバから流出し、同じ燃料電池のカソードチャンバ内で消費される。そしてアノード圧力は低下し、MEA5中の開口部またはチャネルを通して、または漏出口を通して空気を吸収し得る。この空気は、スタック100の起動時に、燃料電池10の要素またはスタック100のアセンブリ部品またはその両方を腐食し得る。運転停止中または後における腐食を軽減するための、以前に提案された解決方法は、さらなる水素をアノードチャネル402に導入するステップ、またはスタック100内への空気の漏出を回避しようとするステップを含む。しかし、電気化学システムまたは器具の操作のために使用されていない、水素などの過剰な燃料を使用すると、燃料の費用的無駄をもたらす。また、漏出を防ぐための努力にもかかわらず、あらゆる用途におけるあらゆる漏出を完全に回避することは可能ではない。
Additional opportunities for corrosion to occur in the
燃料電池の商業的実用化もまた、燃料効率および水素放出にますます依存している。既存の解決法は、典型的に不明確な流量制御と、水滴および粒子汚れの問題を呈する、単一ソレノイドパージ弁を含む。複数のパージ弁配列は逆に、さらに高価で、複雑な配置を有する。その他の解決法は、燃料噴射器と同様に動作する制御弁を含むが、このような弁は、さらなる電力を必要とし、概して制御が複雑である。計量装置も使用されるが、このような装置は漏出を経験する傾向があり、概して費用がかかる。さらにその他の解決法は、水滴または粒子汚れの影響を受けやすい小開口部を有する流動制限器が伴う、より大型の弁開口部を含む。 Commercial commercialization of fuel cells is also increasingly dependent on fuel efficiency and hydrogen emissions. Existing solutions include a single solenoid purge valve that typically presents unclear flow control and water drop and particle contamination problems. Multiple purge valve arrangements, on the contrary, are more expensive and have a complex arrangement. Other solutions include control valves that operate similarly to fuel injectors, but such valves require additional power and are generally complex to control. Metering devices are also used, but such devices tend to experience leaks and are generally expensive. Still other solutions include larger valve openings with flow restrictors having small openings that are susceptible to water droplets or particulate contamination.
費用効率が高く、小型で、信頼性のあるシステムおよび/または方法は、電気化学燃料電池および燃料電池スタック内の起動、運転停止、および負荷過渡状態における腐食形成を防ぎ、燃料電池スタックからの流体のパージの改良された制御を提供するために必要である。 A cost-effective, compact, and reliable system and / or method prevents corrosion formation during start-up, shutdown, and load transients in electrochemical fuel cells and fuel cell stacks, and fluids from the fuel cell stack It is necessary to provide improved control of the purge.
一実施形態によれば、電気化学システムは、燃料電池スタックを形成する複数の燃料電池を備え、各燃料電池は、アノード電極層とカソード電極層との間に挿入されるイオン交換膜を有する膜電極アセンブリ(MEA)と、MEAの第1の側面に隣接するアノード流界板であって、MEAの第1の側面の少なくとも一部へ水素含有燃料を誘導するよう構成されるアノード流界板と、MEAの第2の側面に隣接するカソード流界板であって、MEAの第2の側面の少なくとも一部へ酸化剤を誘導するよう構成されるカソード流界板と、燃料電池スタックの下流に位置付けられ、それと流体連通している少なくとも1つの蓄積装置であって、流体を蓄積および分注するよう作動する蓄積装置と、燃料電池スタックの下流に位置付けられる酸化剤出口と、蓄積装置の下流に位置付けられる第1のパージ制御装置であって、アノード流界板の少なくとも一部とカソード流界板の少なくとも一部との間の流体連通を可能にする第1の状態で動作可能であり、かつ蓄積装置から酸化剤出口を分離する第2の状態で動作可能な第1のパージ制御装置と、を備える。 According to one embodiment, the electrochemical system comprises a plurality of fuel cells forming a fuel cell stack, each fuel cell having a membrane with an ion exchange membrane inserted between the anode electrode layer and the cathode electrode layer. An electrode assembly (MEA) and an anode flow field plate adjacent to the first side of the MEA, the anode flow field plate configured to direct hydrogen-containing fuel to at least a portion of the first side of the MEA; A cathode flow field plate adjacent to the second side of the MEA, the cathode flow field plate configured to direct oxidant to at least a portion of the second side of the MEA; and downstream of the fuel cell stack At least one storage device positioned and in fluid communication therewith, the storage device operating to store and dispense fluid, and an oxidant outlet positioned downstream of the fuel cell stack And a first purge control device positioned downstream of the storage device, wherein the first state enables fluid communication between at least a portion of the anode flow field plate and at least a portion of the cathode flow field plate And a first purge control device operable in a second state separating the oxidant outlet from the storage device.
上記実施形態の一側面によれば、該電気化学システムは、燃料電池スタックの少なくとも一部と流体連通しており、少なくとも1つの流体を再循環させるよう作動する再循環ラインを備える。 According to one aspect of the above embodiment, the electrochemical system includes a recirculation line that is in fluid communication with at least a portion of the fuel cell stack and that operates to recirculate at least one fluid.
別の実施形態によれば、各燃料電池が、アノードおよびカソード電極層間に挿入されるイオン交換膜を有する膜電極アセンブリ(MEA)と、アノード電極層に隣接して位置付けられるアノード流界板であって、燃料供給源からアノード電極層の少なくとも一部へ水素含有燃料を誘導するよう構成されるアノード流界板と、カソード電極層に隣接して位置付けられるカソード流界板であって、酸化剤供給源からカソード電極層の少なくとも一部へ酸化剤を誘導するよう構成されるカソード流界板と、アノードおよびカソード電極層のうちの少なくとも1つの少なくとも一部と流体連通している少なくとも1つの蓄積装置とを備える、燃料電池スタックを形成する複数の燃料電池を有する電気化学システムの操作を中止する方法は、燃料電池スタックから主負荷を切断するステップと、切断された燃料電池スタックへの燃料の供給を終了させるステップと、燃料の供給を終了させた後に、切断された燃料電池スタック中の空気から酸素を実質的に消費して、その中に酸素欠乏空気を形成するステップと、蓄積装置からアノード電極層のうちの少なくとも1つの少なくとも一部に水素および窒素のうちの少なくとも1つを提供するステップとを含む。 According to another embodiment, each fuel cell is a membrane electrode assembly (MEA) having an ion exchange membrane inserted between the anode and cathode electrode layers and an anode flow field plate positioned adjacent to the anode electrode layer. An anode flow field plate configured to direct hydrogen-containing fuel from a fuel source to at least a portion of the anode electrode layer, and a cathode flow field plate positioned adjacent to the cathode electrode layer, wherein the oxidant supply A cathode flow field plate configured to direct oxidant from a source to at least a portion of the cathode electrode layer; and at least one storage device in fluid communication with at least a portion of at least one of the anode and the cathode electrode layer. A method for discontinuing operation of an electrochemical system having a plurality of fuel cells forming a fuel cell stack comprises: Disconnecting the main load from the fuel cell, ending the supply of fuel to the disconnected fuel cell stack, and, after ending the supply of fuel, substantially removing oxygen from the air in the disconnected fuel cell stack. Consuming and forming oxygen-deficient air therein, and providing at least one of hydrogen and nitrogen to at least a portion of at least one of the anode electrode layers from the storage device .
さらに別の実施形態によれば、各燃料電池が、アノードおよびカソード電極層間に挿入されるイオン交換膜を有する膜電極アセンブリ(MEA)と、アノード電極層に隣接して位置付けられ、アノード電極層へ水素含有燃料を誘導するよう構成されるアノード流界板と、カソード電極層に隣接して位置付けられ、カソード電極層へ酸化剤を誘導するよう構成されるカソード流界板と、燃料電池スタックの下流に位置付けられる少なくとも1つの蓄積装置と、燃料電池スタックの上流に位置付けられるカソード入口と、燃料電池スタックの下流に位置付けられる酸化剤出口と、蓄積装置の下流に位置付けられ、アノード流界板と前記カソード流界板との間の流体連通を可能にする第1の状態、および蓄積装置から酸化剤出口を分離する第2の状態で動作可能な第1のパージ制御装置と、燃料電池スタックと蓄積装置との間に位置付けられ、アノード流界板と蓄積装置との間の流体連通を可能にする第1の状態、およびアノード流界板と蓄積装置との間の流体連通を中止する第2の状態で動作可能な第2のパージ制御装置とを備える、燃料電池スタックを形成する複数の燃料電池を有する電気化学システムの操作の方法は、最初に、燃料電池スタックパージ状態を検出すると、前記第1の状態で操作して、前記アノード流界板から前記蓄積装置への流体をパージするために、前記第2のパージ制御装置を開くステップと、第2の状態で操作するために第2のパージ制御装置を閉じるステップと、1回目の後の2回目に、第1のパージ制御装置を開いて、蓄積装置から周辺環境およびカソード入口のうちの少なくとも1つへの流体をパージし、蓄積装置パージ状態を検出すると、蓄積装置パージを行うステップとを含む。 According to yet another embodiment, each fuel cell is positioned adjacent to the anode electrode layer, with a membrane electrode assembly (MEA) having an ion exchange membrane inserted between the anode and cathode electrode layers, to the anode electrode layer. An anode flow field plate configured to induce hydrogen-containing fuel; a cathode flow field plate positioned adjacent to the cathode electrode layer and configured to direct oxidant to the cathode electrode layer; and downstream of the fuel cell stack At least one storage device positioned in the fuel cell stack; a cathode inlet positioned upstream of the fuel cell stack; an oxidant outlet positioned downstream of the fuel cell stack; and an anode flow field plate and the cathode positioned downstream of the storage device A first state allowing fluid communication with the flow boundary plate, and a second state separating the oxidant outlet from the accumulator A first purge control device operable at a first state, a first state positioned between the fuel cell stack and the storage device and enabling fluid communication between the anode flow field plate and the storage device, and an anode flow An operation of an electrochemical system having a plurality of fuel cells forming a fuel cell stack comprising a second purge control device operable in a second state to discontinue fluid communication between the interface plate and the storage device. The method first operates upon the first state upon detecting a fuel cell stack purge state, and the second purge control device operates to purge fluid from the anode flow field plate to the storage device. The second purge control device for operating in the second state, and the second time after the first time, the first purge control device is opened and the storage device is Caso Purging at least to one fluid of de entrance detects the storage device purge state, and performing a storage device purge.
さらなる別の実施形態によれば、各燃料電池が、アノードおよびカソード電極層間に挿入されるイオン交換膜を有する膜電極アセンブリ(MEA)と、アノード電極層に隣接して位置付けられ、アノード電極層へ水素含有燃料を誘導するよう構成されるアノード流界板と、カソード電極層に隣接して位置付けられ、カソード電極層へ酸化剤を誘導するよう構成されるカソード流界板と、燃料電池スタックの下流に位置付けられる少なくとも1つの蓄積装置と、燃料電池スタックと蓄積装置との間に位置付けられ、アノード流界板と蓄積装置との間の流体連通を可能にする第1の状態、およびアノード流界板と蓄積装置との間の流体連通を中止する第2の状態で動作可能であるパージ制御装置を備える、燃料電池スタックを形成する複数の燃料電池を有する電気化学システムの操作の方法は、燃料電池スタックに印加される負荷の増加、および燃料電池スタック中の酸化剤の圧力および濃度のうちの少なくとも1つの大きさの減少を検出するステップと、第2の状態で操作し、燃料電池スタック中の水素含有燃料の圧力および濃度のうちの少なくとも1つを増加させ、かつ燃料電池スタックの圧力差のバランスをとるためにパージ制御装置を閉じるステップとを含む。 According to yet another embodiment, each fuel cell is positioned adjacent to the anode electrode layer with a membrane electrode assembly (MEA) having an ion exchange membrane inserted between the anode and cathode electrode layers and into the anode electrode layer. An anode flow field plate configured to induce hydrogen-containing fuel; a cathode flow field plate positioned adjacent to the cathode electrode layer and configured to direct oxidant to the cathode electrode layer; and downstream of the fuel cell stack At least one storage device positioned in the fuel cell stack, a first state positioned between the fuel cell stack and the storage device and allowing fluid communication between the anode flow field plate and the storage device, and an anode flow field plate A plurality of fuels forming a fuel cell stack comprising a purge control device operable in a second state to cease fluid communication between the fuel cell and the storage device A method of operating an electrochemical system having a pond comprises detecting an increase in load applied to the fuel cell stack and a decrease in at least one of the pressure and concentration of oxidant in the fuel cell stack; Operating in the second state, increasing at least one of the pressure and concentration of the hydrogen-containing fuel in the fuel cell stack, and closing the purge controller to balance the pressure difference in the fuel cell stack Including.
さらなる実施形態によれば、各燃料電池が、アノードおよびカソード電極層間に挿入されるイオン交換膜を有する膜電極アセンブリ(MEA)と、アノード電極層に隣接して位置付けられ、アノード電極層へ水素含有燃料を誘導するよう構成されるアノード流界板と、カソード電極層に隣接して位置付けられ、カソード電極層へ酸化剤を誘導するよう構成されるカソード流界板と、燃料電池スタックの下流に位置付けられる少なくとも1つの蓄積装置と、燃料電池スタックと蓄積装置との間に位置付けられ、アノード流界板と蓄積装置との間の流体連通を可能にする第1の状態、およびアノード流界板と蓄積装置との間の流体連通を中止する第2の状態で動作可能であるパージ制御装置を備え、燃料電池スタックを形成する複数の燃料電池を有する電気化学システムの操作の方法は、燃料電池スタックに印加される負荷の減少、および燃料電池スタック中の酸化剤の圧力および濃度のうちの少なくとも1つの大きさの減少を検出するステップと、第1の状態で操作し、燃料電池スタック中の水素含有燃料の圧力および濃度のうちの少なくとも1つを減少させ、かつ燃料電池スタックの圧力差のバランスをとるためにパージ制御装置を開くステップとを含む。 According to a further embodiment, each fuel cell is positioned adjacent to the anode electrode layer with a membrane electrode assembly (MEA) having an ion exchange membrane inserted between the anode and cathode electrode layers, and contains hydrogen to the anode electrode layer. An anode flow field plate configured to direct fuel, a cathode flow field plate positioned adjacent to the cathode electrode layer and configured to direct oxidant to the cathode electrode layer, and positioned downstream of the fuel cell stack A first state positioned between the fuel cell stack and the storage device and allowing fluid communication between the anode flow field plate and the storage device, and the anode flow field plate and storage A plurality of fuel cells comprising a purge control device operable in a second state to cease fluid communication with the device and forming a fuel cell stack; The method of operating the electrochemical system comprises detecting a decrease in load applied to the fuel cell stack and a decrease in at least one magnitude of the pressure and concentration of the oxidant in the fuel cell stack; Operating at 1 state, reducing at least one of the pressure and concentration of the hydrogen-containing fuel in the fuel cell stack, and opening the purge controller to balance the pressure difference in the fuel cell stack; Including.
本明細書全体を通して参照される「一実施形態」または「実施形態」は、該実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、または特性が、少なくとも1つの実施形態に含まれることを意味する。よって、本明細書全体を通して種々の場所で使用される「一実施形態における」または「実施形態における」という語句は、必ずしも全て同じ実施形態を指しているわけではない。さらに、特定の特徴、構造、または特性は、1つ以上の実施形態において任意の適切な方法で組み合わせてもよい。 An “embodiment” or “embodiment” referred to throughout this specification means that a particular feature, structure, or characteristic described in connection with the embodiment is included in at least one embodiment. means. Thus, the phrases “in one embodiment” or “in an embodiment” used in various places throughout this specification are not necessarily all referring to the same embodiment. Furthermore, the particular features, structures, or characteristics may be combined in any suitable manner in one or more embodiments.
次の説明では、種々の開示された実施形態の徹底的な理解を提供するために、ある具体的な詳細を説明する。しかし、当業者であれば、実施形態はこのような具体的な詳細のうちの1つ以上がなくても、または他の方法、部品、材料などにより、実践することができることを認識するであろう。その他の場合、蓄積器および隔膜に関連する周知の構造、および流界板、端板、電解触媒、外部回路、および/または再循環装置などであるが、それらに限定されない電気化学電池システムに関連するものは、実施形態の不必要に曖昧な説明を回避するために、詳細に図示または説明していない。 In the following description, certain specific details are set forth in order to provide a thorough understanding of various disclosed embodiments. However, one skilled in the art will recognize that embodiments may be practiced without one or more of these specific details, or by other methods, components, materials, and the like. Let's go. In other cases, well-known structures associated with accumulators and diaphragms and associated with electrochemical cell systems such as but not limited to flow boundary plates, end plates, electrocatalysts, external circuits, and / or recirculation devices What has not been shown or described in detail to avoid an unnecessarily vague description of the embodiments.
本明細書全体を通して参照される「電気化学システム」、「燃料電池」、「燃料電池スタック」、「スタック」、および/または「電解槽」は、限定的な意味で意図されないが、燃料および酸化剤が、電気化学的に転換されて電力を生じるか、または外部電流が、典型的に水を通して、燃料電池電極間を通過し、各電極で水素および酸素の生成をもたらす任意の装置、器具、またはシステムを指すことを目的とする。 References throughout this specification to “electrochemical system”, “fuel cell”, “fuel cell stack”, “stack”, and / or “electrolyzer” are not intended to be limiting and include fuel and oxidation. Any device, instrument, in which the agent is electrochemically converted to produce power, or external current passes between the fuel cell electrodes, typically through water, resulting in the production of hydrogen and oxygen at each electrode, Or to point to the system.
本明細書全体を通して参照される「燃料」、および/または「水素」は、限定的な意味で意図されないが、所与の化学反応において陽子または電子に分離可能で、電気化学的転換を支援して電力を生じる任意の反応物質またはガスを指すことを目的とする。 “Fuel” and / or “hydrogen”, as referred to throughout this specification, are not intended to be limiting, but can be separated into protons or electrons in a given chemical reaction to assist in the electrochemical conversion. It is intended to refer to any reactant or gas that produces electrical power.
本明細書全体を通して参照される「酸化剤」、「空気」、および/または「酸素」は、限定的な意味に意図されないが、酸素、水、水蒸気、または空気などであるがそれらに限定されないものを酸化することが可能な、任意の液体またはガスを指すことを目的とする。 “Oxidizing agent”, “air”, and / or “oxygen” as referred to throughout this specification is not intended to be limiting, but is not limited to oxygen, water, water vapor, air, or the like. It is intended to refer to any liquid or gas capable of oxidizing things.
本明細書全体を通して参照される「イオン交換膜」、「プロトン交換膜」、および/または「PEM」は、限定的な意味に意図されないが、第1の電荷または極性のイオンが第1の方向に膜を通過することを可能にする一方で、第1の電荷または極性と反対の、第2の電荷または極性のイオンの第1の方向にある通路を封鎖する任意の膜、構造、または材料を指すことを目的とする。 “Ion exchange membrane”, “proton exchange membrane”, and / or “PEM”, as referred to throughout this specification, are not intended to be limiting, but ions of a first charge or polarity are in a first direction. Any membrane, structure, or material that blocks passages in the first direction of ions of the second charge or polarity opposite the first charge or polarity while allowing passage through the membrane Is intended to point to.
本明細書全体を通して参照される「蓄積装置」、「蓄積部材」、「蓄積量」、および/または「蓄積器」は、限定的な意味に意図されないが、ガスを受領および分注するか、または圧縮ガスの投入量を蓄積または格納するよう作動する任意の装置、器具、容器、少なくとも部分的に有界の容積、または構造を指すことを目的とする。 “Accumulator”, “accumulator”, “accumulator”, and / or “accumulator” as referred to throughout this specification are not intended in a limiting sense, but receive and dispense gas, Alternatively, it is intended to refer to any device, instrument, container, at least partially bounded volume, or structure that operates to store or store a dose of compressed gas.
本明細書全体を通して参照される「流量制御装置」、「パージ弁」、「パージ制御装置」、および/または「弁」は、限定的な意味で意図されないが、任意の器具、弁、計測器、コンピュータ制御器、またはポンプ、または第1の容積、または第2の容積への燃料供給源などの位置、または電極層などの位置からの流体の動きを管理するために使用することが可能な任意の装置を指すことを目的とする。 References throughout this specification to “flow control device”, “purge valve”, “purge control device”, and / or “valve” are not intended to be limiting, but any instrument, valve, instrument Can be used to manage fluid movement from a location such as a computer controller, or pump, or a fuel supply to a first volume, or a second volume, or a location such as an electrode layer It is intended to refer to any device.
図5に図示されるような一実施例では、各燃料電池がアノードチャネル502、カソードチャネル504、およびその間に挿入されるPEMなどのイオン交換膜506を有する、複数の燃料電池を組み込む燃料電池スタック501を含む電気化学システム500が提供される。第1の流量制御装置508は、燃料供給源510からアノードチャネル502への水素などの燃料の供給流速を制御する。第2の流量制御装置512は、空気供給源514からカソードチャネル504への酸素または空気などの酸化剤の供給流速を制御する。典型的に、操作中にアノード(または燃料)圧力は、カソード(または酸化剤)圧力よりも大きい。
In one embodiment as illustrated in FIG. 5, a fuel cell stack incorporating a plurality of fuel cells, each fuel cell having an
燃料供給源510からシステム500へ燃料を導入すると、アノードに少なくとも部分的に接触する第1の電解触媒層は、水素分子を陽子および電子に分け、陽子は第1の方向に膜506を通過する一方で、電子は外部回路へ送られ、電力を生じる。陽子は膜506を通り、かつカソードチャネル504を通って移動し、外部回路から戻ってくる電子および空気供給源514からカソードへ供給される酸素と結合し、排ガスまたは液体、または両方としてシステム500からパージされる水、熱、および/またはその他の副生成物を生成する。
When fuel is introduced from the
図4を参照して、既存の燃料電池システム400の起動時に、空気はアノードチャンネル402に存在してもよい。アノードチャネル402に水素を導入すると、燃料電池の下流部に空気が残っていれば腐食が発生し得る。
Referring to FIG. 4, air may be present in the
図5に示される本発明の一実施例では、燃料電池システム500は、容積518を有し、スタック501の下流に位置付けられる蓄積装置516を含む。蓄積装置516は、アノードおよびカソードチャネル502、504のうちの少なくとも1つと流体連通しており、図5の図示された実施形態に示されるような蓄積器、または水素、酸素、および窒素などの少なくとも1つの流体を受領、格納、および分注し、および/または同じ物を蓄積および/または圧縮することが可能な任意の装置であってもよい。
In one embodiment of the invention shown in FIG. 5, the
第1の流量制御装置508が開放位置にあると、水素含有燃料は燃料供給源510からスタック501へと流れる。スタック501、特にアノードチャネル502に存在するあらゆる空気は、水素含有燃料の流入によって押し出され、空気の少なくとも一部は蓄積装置516に流れ込む。
When the first
システム500は、燃料電池スタック501から反応物質、生成物、および/または副生成物を放出するための、ソレノイド、または回転円盤、球、またはプラグ、またはその他任意の適切な流量制御装置を有するパージ弁などの、第1の流量制御装置520をさらに含んでもよい。例えば、システム500が動作を中止すると、空気がアノードチャネル502内に浸透し、燃料がアノードチャネル502に導入され、空気がそこからパージされると、腐食が発生する場合がある。腐食を防ぐために、図4に図示されるシステム400などの一部の既存の燃料電池システムは、燃料が導入されるとアノードチャネル402中の空気を素早く外に出すことができるように、大型パージ弁420を有する。システム400の燃料電池スタックのアノードチャネルからの空気のパージ速度は、パージ弁420を通る空気の排出速度と同じであるため、システム400の大型パージ弁420などのパージ弁は、典型的に、大型開口部を含む。しかし、大型パージ弁は、例えば自動車において、換気用途などの種々の用途に対する燃料電池システムの実行可能性を示すことができる。加えて、大型パージ弁は、無駄が多く高い水素放出を結果としてもたらし得る、空気および燃料を含む大量の排生成物を排出する。
The
対照的に、図5の図示された実施形態では、第1のパージ制御装置520は、起動時に迅速な方法でアノードチャネル502から空気などの流体をパージするための大型開口部を有する必要がない。これは、押し出される空気が蓄積装置516の容積518に流れ込むためである。
In contrast, in the illustrated embodiment of FIG. 5, the
したがって、蓄積装置516は、スタック501から、空気および/またはその他の反応物質、生成物、および窒素などの不活性ガスの効果的な排出を提供する一方で、周囲の環境への空気、反応物質、および/または生成物の大量排出を防ぐ。システム500からの排生成物の排出速度および量を軽減することは、第1のパージ制御装置520のサイズを最小限化または縮小し、スペースが限られている用途でのシステム500の使用の実行可能性を増大させる。
Accordingly, the
蓄積装置516は、第1のパージ制御装置520から排出されている流体の所望の量を維持するような大きさにすることが可能である。第1のパージ制御装置520から排出されている流体の最適なレベルは、所与の用途および/またはそのサイズ要件に基づいて決定することができる。図5の図示された実施形態では、第1のパージ制御装置520から延在するパージライン521は、カソードチャネル504の出口からの流れ517に接続されるが、加えて、または代わりに、換気口540に接続されてもよい。
さらに、一部の実施形態では、蓄積装置516の断面積は、蓄積装置516への、および/またはそこからの流量を伝達するライン、パイプ、またはその他任意の部品の断面積よりも大きくてもよい。また、一部の実施形態では、蓄積装置516の容積518は、燃料電池スタック501のアノードチャネル502の全容積とほぼ同一であってもよい。
Further, in some embodiments, the cross-sectional area of the
腐食が起こる付加的な機会は、図4に示される既存のシステム400の運転停止中である。運転停止後、燃料の流速を制御する第1の流量制御装置408は閉じられ、燃料消費を最小限にし、水素などの燃料は、膜406からカソードへの拡散によって、かつその中の残留酸素との反応によって、アノードから失われる。そしてアノードチャネル402の圧力は急落し、膜406内の開口部またはチャネルを通して、または漏出口を通して、アノードにカソードからの空気を吸収させる。この空気は、燃料電池システム400の要素および/または燃料電池スタック100のアセンブリ部品の腐食を引き起こし得る。
An additional opportunity for corrosion to occur is during shutdown of the existing
しかし、本発明の実施形態のシステム500では、第1の流量制御装置508が閉じると、アノードチャネル502から膜506を通ってカソードチャネル504への水素拡散、およびカソードチャネル504内の残留酸素との反応により、アノードチャネル502内の圧力が低下する。さらに、カソード内の酸素が実質的に消費されるまで、アノードは、水素含有燃料および窒素などの不活性ガスを含有するスタック501の下流にある蓄積装置516から、流体の一部を吸収する。水素が蓄積装置516からアノードチャネル502へ引き出されると、空気は、換気口540から引き出され得、および/または酸素欠乏空気などのガスは、カソードから引き出されて、引き出された水素に取って代わることができる。同時に、カソード内の酸素の濃度が減少する一方で、アノードおよびカソードチャネル502、504が同じ圧力となるように、第1のパージ制御装置520を開くことができ、こうしてカソードチャネル504からアノードチャネル502へと空気が膜506を横断することを防ぐ。
However, in the
図6は、再循環ライン623を通ってアノードガスを再循環させ、それぞれ窒素または水などのガスまたは液体がアノードチャネル602を封鎖することを防ぐ補助をするために噴射ポンプ622が使用される、本発明の別の実施形態による電気化学システム600を図示する。電気化学システム600は、それぞれ燃料供給源610および酸素供給源614からの燃料および酸化剤の流速を制御するための、第1および第2の流量制御装置608、612をさらに含む。電気化学システム600は、第1のパージ制御装置620をさらに含んでもよい。図6の図示された実施形態では、第1のパージ制御装置620から延在するパージライン621は、カソードチャネル604の出口からの流れ617に接続されるが、加えて、または代わりに、換気口640に接続されてもよい。
FIG. 6 shows that the
加えて、当業者であれば、蓄積装置616に起因するアノードループ内の付加的な容積は、アノード内の流体を吸収および排出することによって、アノードチャネル602にわたる圧力スイング(例えば、操作の耐張モードで操作する場合に、アノードの周期的パージによる)を軽減することができることを十分理解するであろう。
In addition, those skilled in the art will appreciate that the additional volume in the anode loop resulting from the accumulator 616 can cause a pressure swing (eg, operational tension) across the
図7Aに図示されるようなさらに別に実施形態では、電気化学システム700は、その中に隔膜724がある718を有する蓄積装置716を含む。隔膜724は、通常操作、負荷過渡、起動、および/または運転停止中にスタック701の所望の横断圧力(例えば、アノードとカソードとの間の圧力差)を維持するために利用することができる。スタック701の所望の横断圧力を維持すると、不要な圧力スイング、および/または膜706を通る水素透過、または本願で説明されるような腐食を引き起こし得るシステム700内への空気の取り入れをもたらすことができる真空を防ぐ。加えて、または代わりに、隔膜724の位置は、横断圧力の指標となることが可能であるため、供給燃料流速を制御することができる。この情報は、供給源710に返して、燃料の流速を増加または減少させることができ、こうして燃料流速を制御することによって横断圧力を調節する。
In yet another embodiment, as illustrated in FIG. 7A, the
電気化学システム700は、それぞれ燃料供給源710および空気供給源714からの燃料および空気の流速を制御するための、第1および第2の流量制御装置708、712をさらに含む。電気化学システム700は、第1のパージ制御装置720をさらに含んでもよい。図7Aの図示された実施形態では、第1のパージ制御装置720から延在するパージライン721は、カソードチャネル704の出口からの流れ717に接続されるが、加えて、または代わりに、カソード入口(例えば、カソードチャネルの上流)または換気口740に接続してもよい。
図7Bに図示されるように、一部の実施形態では、蓄積装置716および/または隔膜724は、バイアス圧力装置727であるか、またはそれを備えてもよい。バイアス圧力装置727は、ピストン731をアノード側に耐え、アノード容積を最小限化することが可能なスプリングまたはアクチュエータ729などの、任意の付勢部材を含んでもよい。ピストン731は、その周辺にシール733を備えて漏出を防ぐことができる。理論に制約されることなく、下方過渡(つまり負荷の減少)の場合、図7Cに示されるようにカソード圧力が低下し、ピストン731をカソード側に向かって進めることができる。このことは、アノードチャネル702と流体的に連通するよう構成される蓄積装置716の容積735を増加させる。したがって、アノードチャネル702の圧力が減少し、アノードおよびカソード層間の横断圧力を減少させる。水素が消費および/またはパージされて下方過渡が完了すると、ピストン731は、図7Bに図示されるその元の位置を少なくとも実質的に再び占有する。
As illustrated in FIG. 7B, in some embodiments, the
図8に示されるような、さらに別の実施形態では、電気化学システム800は、蓄積装置816の代わりに、またはそれに加えて、プラグ流装置826を取り付けることが可能である。プラグ流装置826は、スタック801の横断圧力が受動的に調節されるように、カソードチャネル804から排出されるガスの流れと流体連通することができる。プラグ流装置826は、通常、高い長さ対直径比を伴って断面が狭く、通常は一方の端にパージガスを、他方の端に空気またはカソードガスまたはその両方を含有する。このような2つのガスの間の最前部は、起動、運転停止、および/または負荷過渡の間に変わることによって、スタック801の横断圧力を調節することができる。
In yet another embodiment, as shown in FIG. 8, the
加えて、蓄積装置816の容積818などの、ガスが混合し得る容積は、プラグ流装置826の下流に配置され、カソードチャネル804内または換気口840内への燃料の予期しない放出を防ぐことができる。
In addition, a volume in which the gas can mix, such as the
加えて、または代わりに、酸素または水素センサ、またはその両方などのセンサ828、830は、プラグ流装置826、または先行の実施形態または以降の実施形態のうちのいずれかによる蓄積装置に連結される少なくとも1つのラインの中に配置され、ガスの流体成分(例えば、酸素および水素濃度)を検出することができる。これらのセンサ828、830は、プラグ流装置826につながる、またはそこから延在するライン内の異なる点に選択的に配置されることができ、アノードチャネル802への水素などの燃料の供給流速、および/またはカソードチャネル804への空気などの酸化剤の供給流速を制御する流量制御装置808、812に電気的に連結することができる。センサ828、830は、流量制御装置808、812に流体成分情報を伝え、アノードチャネル802若しくはカソードチャネル804のそれぞれへの供給燃料流速若しくは供給空気流速またはその両方を制御することができる。加えて、または代わりに、センサ828、830からの情報は、第1のパージ制御装置820を制御するために使用することができ、例えば、運転停止が完了した後に第1のパージ制御装置820を閉じる。
Additionally or alternatively,
発明者らは、全ての説明された部品を組み込んでもよく、または組み込まなくてもよい本発明の実施形態を想定している。例えば、プラグ流装置826を組み込むシステム800は、必ずしも第1のパージ制御装置820を組み込まなくてもよい。本開示を検討した当業者であれば、本発明の範囲を逸脱することなく、システム800になされ得るこれらおよびその他の変更を十分に理解するであろう。
The inventors contemplate embodiments of the present invention that may or may not incorporate all the described components. For example, a
本発明のその他の実施形態による電気化学システムは、付加的な部品を含んでもよいか、または本願で説明されるある部品を除外してもよい。例えば、図9に図示されるさらなる実施形態では、電気化学システム900は、容積918および、ガス吸収物質または触媒物質925を有する蓄積装置916を含み、容積918へ酸素または水素またはその両方などのガスを吸収または反応させる補助をする。例えば、物質925は、運転停止中に蓄積装置916へ引き戻される空気中の酸素と反応し、酸素がアノードまたはカソードに進入することを防ぐことができる。
Electrochemical systems according to other embodiments of the invention may include additional components or exclude certain components described herein. For example, in a further embodiment illustrated in FIG. 9, the
さらに、電気化学システム900は、図6の図示された実施形態と関連して論じられるアノード再循環ライン623と同様の、カソード再循環ライン923を含んでもよい。一実施形態によれば、再循環ライン923を通ってカソードガスを再循環させ、ガスまたは液体がカソードチャネル904を封鎖することを防ぐ補助をするために、噴射ポンプまたは送風機などの再循環装置922を使用することが可能である。加えて、または代わりに、燃料電池スタック901が切断されている時に、酸素が燃料電池スタック901内の空気から実質的に消費されている間、酸化剤もカソード再循環ライン923で再循環させることが可能である。当業者であれば、アノードおよびカソード再循環ラインは、本願で説明される実施形態のうちのいずれかに組み込むことが可能であることを十分理解するであろう。
Further, the
さらに、さらに別の実施形態による電気化学システム1000は、図10で図示される。電気化学システム1000は、蓄積装置1016の下流に配置される第1のパージ制御装置1020、およびアノードチャネル1002の下流および蓄積装置1016の上流に配置される第2のパージ制御装置1052を含んでもよい。第2のパージ制御装置1052は、閉鎖または開放、および/またはその間で調整して、アノードチャネル1002の圧力などの、燃料電池スタック1001の圧力を維持または変化させることが可能である。さらに、第2のパージ制御装置1052は、アノードチャネル1002と蓄積装置1016との間の流体の流れを制御および/または中止するよう構成される。
Furthermore, an
一実施形態では、電気化学システム1000の操作の方法は、燃料電池スタック1001の通常操作中に、第1および第2のパージ制御装置1020、1052を閉鎖状態に維持するステップを含む。燃料電池スタック1001をパージすることが望ましい場合、第1のパージ制御装置1020は閉鎖したままである一方、第2のパージ制御装置1052は開かれ、蓄積器1016を加圧する。そして第1のパージ制御装置1020が開かれる一方で、第2のパージ制御装置1052は閉じられて蓄積装置1016を開放する。一部の実施形態では、蓄積装置1016内部または近傍に配置されるセンサ1054は、燃料電池スタック1001のパージを誘発することができる。例えば、センサ1054は、蓄積装置1016内の圧力の大きさを監視および/または測定し、閾値および/または所定の圧力の大きさを検出するとパージを誘発することが可能である。
In one embodiment, the method of operation of the
加えて、または代わりに、パージは、毎分、または30秒ごと、またはその他任意の適切な時間など、所定の時間間隔に基づいて誘発することが可能である。パージの圧力ベースおよび/または時間ベースの方法を組み込む実施形態では、水素含有燃料などの流体の具体的な量が、各パージ状態中に燃料電池スタック1001からパージされるため、第1および第2のパージ制御装置1020、1052は、許容差が正確な具体的な大きさまたは具体的な寸法を有する必要がない。
In addition or alternatively, the purge can be triggered based on a predetermined time interval, such as every minute, or every 30 seconds, or any other suitable time. In embodiments that incorporate a pressure-based and / or time-based method of purging, the first and second because a specific amount of fluid, such as a hydrogen-containing fuel, is purged from the
一部の実施形態では、燃料電池スタック1001の反復的なパージは、燃料パージ状態が発生すると、第1のパージ制御装置1020を開くことなく、発生することができる。例えば、第2のパージ制御装置1052が閉じられている場合の通常操作中、圧力差がアノードチャネル1002と蓄積装置1016との間に作られる。燃料パージが望ましい場合、第2のパージ制御装置1052を開き、水素含有燃料などの流体を蓄積装置1016内へと出すことが可能である。その後、蓄積装置パージ状態が発生する場合、例えば、蓄積装置1016が流体で実質的に満たされた場合、および/またはシステム1000の運転停止時に、第1のパージ制御装置1020を開いて、蓄積装置1016から雰囲気などの周辺環境へ蓄積した流体をパージすることが可能である。
In some embodiments, repetitive purging of the
さらに他の実施形態では、蓄積装置1016から放出される水素含有燃料は、カソード出口内へと出されることによって、すぐに雰囲気内に放出されている水素の濃度を減少させることができる。
In yet another embodiment, the hydrogen-containing fuel released from the
さらに他の実施形態では、パージ制御装置1020および1052は、蓄積器1016に取り付けられる共通ポートならびに1023および1040(図示せず)への他の2つのポートによって、単一の三方弁に組み合わせられてもよい。
In still other embodiments,
当業者であれば、上記に論じられるものと同様の第2のパージ制御装置は、本願で説明される実施形態のうちのいずれにも組み込むことが可能であり、センサ1054は、燃料電池スタックおよび/または蓄積装置のパージを誘発する前に、蓄積装置内の流体の圧力の代わりに、またはそれに加えて、流体の温度および/または濃度などのその他のパラメータを検出するよう構成してもよいことを十分理解するであろう。
One of ordinary skill in the art can incorporate a second purge control device similar to that discussed above in any of the embodiments described herein, the
加えて、または代わりに、第2のパージ制御装置1052は、圧力調節装置として、一部の実施形態で使用することが可能である。例えば、上昇過渡または負荷増加中に、空気圧は典型的に増加される。したがって、空気圧の増加に適合するため、迅速な方法で水素の圧力を増加させることが望ましい。したがって、上昇負荷過渡がアノードループの容積を減少し続ける期間に、第2のパージ制御装置1052を閉じることによって、アノード圧力が上昇する速度を増加させる。
Additionally or alternatively, the second
反対に、下方過渡または負荷減少中は、空気圧は減少させられ、空気を加圧するために使用される空気圧縮機に関連する寄生電力損失を最小限化し、それは逆により少ない水の生成という結果となり得る。空気圧の減少に適合するため、迅速な方法で水素の圧力を減少させて、燃料電池スタック1001内の許容できないほど高い横断圧力を回避することが望ましい。したがって、下落負荷過渡が継続する期間に、第2のパージ制御装置1052を開くことによって、水素含有燃料が、その間の圧力差によりアノードチャネル1002から蓄積装置1016へ付勢されると、アノードチャネル1002内の圧力を放出する。さらに圧力を減少させるため、第1のパージ制御装置1020は、第2のパージ制御装置1052と同時に開くか、または1020と1052との間で交互に切り替えてもよい。
Conversely, during downward transients or load reduction, the air pressure is reduced, minimizing parasitic power losses associated with the air compressor used to pressurize the air, which in turn results in less water production. obtain. In order to accommodate the decrease in air pressure, it is desirable to reduce the hydrogen pressure in a rapid manner to avoid unacceptably high transverse pressure in the
その他の実施形態では、センサは、酸化剤の圧力変化を検出するよう構成することができ、第2のパージ制御装置1052は、上記と同様の方法で操作して、燃料電池スタック1001の結果として生じる圧力差を調整することが可能である。加えて、または代わりに、アノードチャネル1002内の圧力は、同様に監視することが可能であり、閾値燃料または酸化剤圧力および/またはアノードおよびカソード層間の所望の横断圧力に達すると、第2のパージ制御装置1052は、それが閉じていたか、または開いていたかによって、その通常状態に戻り、上記のような異常状態に対応することができる。
In other embodiments, the sensor can be configured to detect oxidant pressure changes, and the
上記の実施形態のうちのいずれかでは、圧力センサ(図示せず)は、例えば、カソード入口、カソード出口、アノード入口、および/またはアノード出口といった、燃料電池スタック501、601、701、801、901、1001の入口および/または出口に配置することができる。圧力センサはガスの圧力を監視するために使用することができ、圧力センサからの情報は、例えば、空気供給流速、燃料供給流速、または第1のパージ制御装置の状態を制御するために使用することができる。
In any of the above embodiments, the pressure sensor (not shown) is a
上記の実施形態のうちのいずれかでは、加えて、または代わりに、蓄積装置516、616、716、816、916、1016は、孤立装置である代わりに、燃料電池スタック501、601、701、801、901、1001の端部ハードウェアに含んでもよい。本開示を検討した当業者であれば、本発明の精神から逸脱することなく、システムになされ得るこれらおよびその他の変更を十分に理解するであろう。
In any of the above embodiments, in addition or alternatively, the
図5に示されるもののような、燃料電池システムの操作を中止する方法は、本願の下記で説明する。第1に、主負荷542を燃料電池スタック501から切断する。次に、(同様にスタック501から燃料供給510を分離する)第1の流量制御装置508を閉じることによって、燃料供給510を終了する。カソードチャネル504内に存在する空気中の酸素は、水素がアノードチャネル502からカソードチャネル504へとイオン交換膜506を通って拡散すると、消費される。カソードチャネル504内に存在する空気中の酸素の化学量論的な量と比較して、アノードチャネル502および蓄積装置516内に存在する燃料中の水素の化学量論的な量が、燃料電池システム500の運転停止時にカソードチャネル504内の酸素の全てを実実質的に消費するために十分であるように、より好ましくは、酸素が実質的に消費された後に、アノードチャネル502内に少なくともある程度の過剰な水素があるように、アノードチャネル502、カソードチャネル504、および蓄積装置516の全容積は、適切な大きさとされるべきである。燃料電池スタック501が、通常の操作中にアノード過圧で操作される場合(例えば、アノード圧力がカソード圧力よりも大きい)、第1のパージ制御装置520は、水素がアノードチャネル502から欠乏してアノード圧力がカソード圧力に達するか、またはそれ以下に減少する時に(例えば、燃料電池スタック501の上流および/または下流のアノードおよびカソード圧力センサによって判定されるとおりに)、開くことができる。
A method for discontinuing operation of a fuel cell system, such as that shown in FIG. 5, will be described below in this application. First, the
操作中、アノード上に積み重なるあらゆる過剰な燃料および/またはその他の不活性流体は、蓄積装置516内に蓄積される。よって、燃料電池システム500の運転停止中、水素がアノードチャネル502から拡散して、酸素消費中にカソードチャネル504内の残留酸素と反応すると、燃料出口ライン515および/または蓄積装置516内の過剰な燃料および/またはその他の不活性流体は、アノードチャネル502内へ引き戻され、拡散された水素に取って代わる。第1のパージ制御装置520が、酸素消費中に最初は閉じられているため、アノード圧力は低下する。アノード圧力がカソード圧力まで、および/またはそれ以下に低下すると、換気口540および/または空気供給源514からの空気が蓄積装置516内へ引き戻されて、蓄積装置516内に存在していた過剰な燃料および/またはその他の不活性流体に取って代わり、よってほぼ真空がアノードチャネル502内で作られることを防ぐことができるように、第1のパージ制御装置520が開かれる。
During operation, any excess fuel and / or other inert fluid that accumulates on the anode is stored in
加えて、酸素消費中に酸素がカソードチャネル504から消費されているため、空気も出口ライン517および/またはカソードチャネル504内に引き出して、消費される酸素に取って代わることができる。該過程は、酸素がカソードチャネル504から実質的に消費されるまで継続する。結果として、水素、窒素、またはその混合物は、運転停止が完了した後に、アノードチャネル502内に残留することによって、空気(および酸素)がアノードチャネル502に導入されることを防ぐ。酸素が燃料電池スタック501内で実質的に消費された後、燃料電池システム500の運転停止が完了する。
In addition, since oxygen is being consumed from
図9に図示される図示された実施形態と関連して前述されたように、蓄積装置916は、運転停止中の水素拡散中に空気が蓄積装置916内に引き戻されると酸素と反応する物質925をさらに含んでもよい。よって、蓄積装置916および/またはカソードチャネル904内に引き戻される空気またはカソード流体中の酸素が反応を受けることによって、酸素が蓄積装置916内に存在することを防ぎ、さらに酸素がアノードチャネル902に進入することを防ぐ。また、蓄積装置916のサイズを最小限化してもよい。
As described above in connection with the illustrated embodiment illustrated in FIG. 9, the
また、図5に図示される補助負荷544は、燃料電池スタック501に接続し、カソード内に存在している酸素の酸素消費の速度を増加させることができる。電力は、ラジエータファンまたは送風機などのシステム部品または車両装置のうちのいずれかに電力を供給するために使用することができ、またはバッテリ(図示せず)などのエネルギ格納装置に格納することができる。当業者であれば、電力を消費するために使用することもでき、これ以上例示されないその他のシステム部品を認識するであろう。
Further, the
図8に示されるような燃料電池システム800などの、蓄積装置につながる、またはそこから延在するライン内の異なる点に配置される酸素および/または水素センサを含有する燃料電池システムの別の実施形態では、酸素および/または水素センサ828、830からの情報は、第1のパージ制御装置820を制御するために使用することができる。例えば、第1のパージ制御装置820は、運転停止の完了中および/または後に、酸素および/または水素の濃度が所定値に達する、および/または越えると、閉じることができる。
Another implementation of a fuel cell system containing oxygen and / or hydrogen sensors located at different points in a line leading to or extending from a storage device, such as a
本願で説明される実施形態のうちのいずれかでは、システム500、600、700、800、900、1000は、システム500、600、700、800、900、1000のパージの間および後に、蓄積装置516、616,716、816、916、1016を退出する流体の流れを消費または希釈するよう構成される第1のパージ制御装置520、620、720、820、920、1020の下流にある燃焼器または希釈器(図示せず)を含んでもよい。この方法で、水素のあらゆる残留濃度は消費され、この実施形態は厳密な放出基準を必要とする用途にとってより適切となる。
In any of the embodiments described herein, the
加えて、または代わりに、各蓄積装置516、616、716、816、916、1016を退出する流体は、蓄積装置516、616、716、816、916、1016、および/または第1のパージ制御装置520、620、720、820、920、1020の下流にあるパージラインを介して、第2の流量制御装置512、612、712、812、912、1012の下流にある各酸化剤入口へと出すことができる。これらの実施形態では、パージラインはカソードチャネル504、604、704、804、904、1004の上流にあるラインに接続することが可能である。そのような配置はまた、燃焼器または希釈器を使用する必要がなく、システム500、600、700、800、900、1000のパージ中に蓄積器から雰囲気への水素の大量放出も防ぐ。
In addition, or alternatively, fluid exiting each
先行の実施形態のいずれかでは、第2の流量制御装置512、612、712、812、912、1012は運転停止中に開放または閉鎖してもよい。
In any of the previous embodiments, the second
本明細書中で参照される、および/または出願データ用紙中で一覧化される、上記の米国特許、米国特許公開公報、米国特許出願書、外国特許、外国特許出願書、および非特許公報の全ては、その全体において参照することにより、本願に組み込まれる。 Of the above-mentioned U.S. patents, U.S. patent publications, U.S. patent applications, foreign patents, foreign patent applications, and non-patent publications referenced herein and / or listed in the application data sheet. All are hereby incorporated by reference in their entirety.
前述より、本発明の具体的な実施形態は、説明の目的のために本願に記載されているが、本発明の精神および範囲を逸脱することなく、種々の改良を行うことができることが、十分理解されるであろう。したがって、本発明は、添付の請求項およびその同等物による場合を除いて、制限されない。 From the foregoing, it will be appreciated that specific embodiments of the invention have been described herein for purposes of illustration, but that various modifications can be made without departing from the spirit and scope of the invention. Will be understood. Accordingly, the invention is not limited except as by the appended claims and their equivalents.
Claims (29)
アノード電極層とカソード電極層との間に挿入されるイオン交換膜を有する膜電極アセンブリ(MEA)と、
該MEAの第1の側面に隣接するアノード流界板であって、該MEAの該第1の側面の少なくとも一部に水素含有燃料を誘導するように構成される、アノード流界板と、
該MEAの第2の側面に隣接するカソード流界板であって、該MEAの該第2の側面の少なくとも一部に酸化剤を誘導するように構成される、カソード流界板と
を備えている、複数の燃料電池と、
該燃料電池スタックの下流に配置され、それと流体連通している少なくとも1つの蓄積装置であって、流体を蓄積および分注するよう作動する、蓄積装置と、
該燃料電池スタックの下流に配置される酸化剤出口と、
該蓄積装置の下流に配置される第1のパージ制御装置であって、該アノード流界板の少なくとも一部と該カソード流界板の少なくとも一部との間の流体連通を可能にする第1の状態で動作可能であり、かつ該蓄積装置から該酸化剤出口を分離する第2の状態で動作可能である第1のパージ制御装置と
を備える、電気化学システム。 A plurality of fuel cells forming a fuel cell stack, each fuel cell comprising:
A membrane electrode assembly (MEA) having an ion exchange membrane inserted between the anode electrode layer and the cathode electrode layer;
An anode flow field plate adjacent to the first side of the MEA, the anode flow field plate configured to direct hydrogen-containing fuel to at least a portion of the first side of the MEA;
A cathode flow field plate adjacent to the second side of the MEA, the cathode flow field plate configured to induce oxidant in at least a portion of the second side of the MEA. A plurality of fuel cells,
At least one storage device disposed downstream of and in fluid communication with the fuel cell stack, the storage device operating to store and dispense fluid;
An oxidant outlet disposed downstream of the fuel cell stack;
A first purge control device disposed downstream of the storage device, wherein the first purge control device enables fluid communication between at least a portion of the anode flow field plate and at least a portion of the cathode flow field plate. And a first purge control device operable in a second state for separating the oxidant outlet from the storage device.
該燃料電池スタックの上流に配置され、酸化剤供給源から該燃料電池の前記カソード電極層への前記酸化剤の流速を選択的に制御するように構成される第2の流量制御装置と
をさらに備える、請求項1に記載の電気化学システム。 A first flow control device disposed upstream of the fuel cell stack and configured to selectively control a flow rate of the hydrogen-containing fuel from a fuel supply source to the anode electrode layer of the fuel cell;
A second flow control device disposed upstream of the fuel cell stack and configured to selectively control a flow rate of the oxidant from an oxidant source to the cathode electrode layer of the fuel cell; The electrochemical system according to claim 1, comprising:
該燃料電池スタックから主負荷を切断するステップと、
該切断された燃料電池スタックへの該燃料の供給を終了させるステップと、
該燃料の供給を終了させた後に、該切断された燃料電池スタック中の空気から酸素を実質的に消費して、その中に酸素欠乏空気を形成するステップと、
該蓄積装置から該アノード電極層のうちの少なくとも1つの少なくとも一部に水素および窒素のうちの少なくとも1つを提供するステップと
を包含する、方法。 A method for stopping operation of an electrochemical system having a plurality of fuel cells forming a fuel cell stack, each fuel cell having an ion exchange membrane inserted between the anode electrode layer and the cathode electrode layer A membrane electrode assembly (MEA) having and an anode flow field plate disposed adjacent to the anode electrode layer, configured to direct hydrogen-containing fuel from a fuel source to a portion of the anode electrode layer An anode flow field plate and a cathode flow field plate disposed adjacent to the cathode electrode layer, the cathode configured to induce oxidant from a source of oxidant to a portion of the cathode electrode layer A flow boundary plate and at least one storage device in fluid communication with at least a portion of at least one of the anode electrode layer and the cathode electrode layer;
Disconnecting the main load from the fuel cell stack;
Terminating the supply of fuel to the disconnected fuel cell stack;
After ending the supply of fuel, substantially consuming oxygen from the air in the cut fuel cell stack to form oxygen-deficient air therein;
Providing at least one of hydrogen and nitrogen to at least a portion of at least one of the anode electrode layers from the storage device.
該蓄積装置の該容積を調整することにより、該バイアス圧力装置の位置に応じて、前記燃料電池スタックの横断圧力を維持するステップをさらに含む、方法。 13. The diaphragm of claim 12, wherein the storage device comprises a diaphragm including a bias pressure device configured to increase the volume of the storage device in fluid communication with the anode channel in response to a decrease in pressure of the cathode channel. A method as described,
The method further comprises maintaining a transverse pressure of the fuel cell stack as a function of the position of the bias pressure device by adjusting the volume of the storage device.
該燃料電池スタック中の空気中の酸素を実質的に消費する前またはその間に、アノード圧力が該燃料電池スタックのカソード圧力以下である場合に、該少なくとも1つの流量制御装置を開くステップをさらに含む、方法。 The method of claim 12, wherein the electrochemical system further comprises at least one flow control device downstream of the fuel cell stack and in fluid communication with the fuel cell stack and the storage device.
Opening the at least one flow control device when the anode pressure is less than or equal to the cathode pressure of the fuel cell stack before or during substantially consuming oxygen in the air in the fuel cell stack; ,Method.
前記燃料流の前記一部および前記酸化剤流の前記一部のうちの少なくとも1つを再循環させるステップをさらに含む、方法。 The electrochemical system further comprises a recirculation line upstream of the accumulator and operative to recycle at least one of a portion of the fuel stream and a portion of the oxidant stream. A method as described,
Recirculating at least one of the portion of the fuel stream and the portion of the oxidant stream.
燃料電池スタックパージ状態を検出すると、該第1の状態において動作して該アノード流界板から該蓄積装置への流体をパージするために、第1回目に該第2のパージ制御装置を開くステップと、
該第2の状態において動作するために、該第2のパージ制御装置を閉じるステップと、
蓄積装置パージ状態を検出すると、該第1回目の後の第2回目に、該第1のパージ制御装置を開いて、該蓄積装置から周辺環境および該カソード入口のうちの少なくとも1つへ流体をパージすることにより、蓄積装置パージを実行するステップと
を含む、方法。 Method of operating an electrochemical system having a plurality of fuel cells forming a fuel cell stack, each fuel cell having an ion exchange membrane inserted between an anode electrode layer and a cathode electrode layer (MEA), an anode flow field plate disposed adjacent to the anode electrode layer and configured to direct hydrogen-containing fuel to the anode electrode layer, and disposed adjacent to the cathode electrode layer, the cathode A cathode flow field plate configured to direct oxidant to the electrode layer; at least one storage device disposed downstream of the fuel cell stack; a cathode inlet disposed upstream of the fuel cell stack; An oxidant outlet disposed downstream of the fuel cell stack and a downstream of the storage device to allow fluid communication between the anode flow field plate and the cathode flow field plate. And a first purge control device operable in a second state separating the oxidant outlet from the storage device and between the fuel cell stack and the storage device, the anode flow field A second state operable in a first state allowing fluid communication between the plate and the storage device and a second state discontinuing fluid communication between the anode flow field plate and the storage device. A purge control device, the method comprising:
Upon detecting a fuel cell stack purge condition, opening the second purge controller for a first time to operate in the first condition and purge fluid from the anode flow field plate to the storage device When,
Closing the second purge control device to operate in the second state;
When the storage device purge state is detected, the first purge control device is opened for the second time after the first time to supply fluid from the storage device to at least one of the ambient environment and the cathode inlet. Performing a storage device purge by purging.
該燃料電池スタックの該少なくとも1つの動作パラメータの該大きさをその第1の閾値の大きさと比較して、該燃料電池スタックパージ状態の存在を判定するステップと、
該燃料電池スタックの該少なくとも1つの動作パラメータの該大きさが、該第1の閾値の大きさとほぼ同一であるか、または上回る場合に、燃料電池スタックパージを開始するステップと
をさらに含む、請求項20に記載の方法。 Detecting a magnitude of at least one operating parameter of the fuel cell stack;
Comparing the magnitude of the at least one operating parameter of the fuel cell stack with a magnitude of the first threshold to determine the presence of the fuel cell stack purge condition;
Initiating a fuel cell stack purge when the magnitude of the at least one operating parameter of the fuel cell stack is substantially the same as or greater than the magnitude of the first threshold. Item 21. The method according to Item 20.
該蓄積装置の該少なくとも1つの動作パラメータの該大きさを第2の閾値の大きさと比較して、前記蓄積装置パージ状態の存在を判定するステップと、
該蓄積装置の該少なくとも1つの動作パラメータの該大きさが、該第2の閾値の大きさとほぼ同一であるか、または上回る場合に、蓄積装置パージを開始するステップと
をさらに含む、請求項20に記載の方法。 Detecting a magnitude of at least one operating parameter of the storage device proximate to at least one of the storage device, the first purge control device, and the second purge control device;
Comparing the magnitude of the at least one operating parameter of the accumulator with a magnitude of a second threshold to determine the presence of the accumulator purge condition;
The method further comprises initiating an accumulator purge when the magnitude of the at least one operating parameter of the accumulator is approximately the same as or greater than the magnitude of the second threshold. The method described in 1.
第2の閾値の時間の経過を検出すると、前記蓄積装置パージを開始するステップと
をさらに含む、請求項20に記載の方法。 Detecting the passage of the first threshold time, starting the fuel stack purge;
21. The method of claim 20, further comprising the step of initiating the accumulator purge upon detecting passage of a second threshold time.
該燃料電池スタックに印加される負荷の増加、および該燃料電池スタック中の該酸化剤の圧力および濃度のうちの少なくとも1つの大きさの増加を検出するステップと、
該第2の状態において動作し、該燃料電池スタック中の該水素含有燃料の圧力および濃度のうちの少なくとも1つを増加させ、かつ該燃料電池スタックの圧力差のバランスをとるために、該パージ制御装置を閉じるステップと
を含む、方法。 Method of operating an electrochemical system having a plurality of fuel cells forming a fuel cell stack, each fuel cell having an ion exchange membrane inserted between an anode electrode layer and a cathode electrode layer (MEA), an anode flow field plate disposed adjacent to the anode electrode layer and configured to direct hydrogen-containing fuel to the anode electrode layer, and disposed adjacent to the cathode electrode layer, the cathode A cathode flow field plate configured to direct oxidant to the electrode layer; at least one storage device disposed downstream of the fuel cell stack; and disposed between the fuel cell stack and the storage device; In a first state allowing fluid communication between the anode flow field plate and the storage device and in a second state discontinuing fluid communication between the anode flow field plate and the storage device And a purge control unit is possible work, the method comprising,
Detecting an increase in load applied to the fuel cell stack and an increase in at least one of the pressure and concentration of the oxidant in the fuel cell stack;
Operating in the second state to increase at least one of the pressure and concentration of the hydrogen-containing fuel in the fuel cell stack and to balance the pressure difference of the fuel cell stack Closing the controller.
該燃料電池スタックに印加される負荷の増加、および該燃料電池スタック中の該酸化剤の圧力および濃度のうちの少なくとも1つの大きさの減少を検出するステップと、
該第1の状態において動作することにより、該燃料電池スタック内への該水素含有燃料の圧力および濃度のうちの少なくとも1つを減少させ、かつ該燃料電池スタックの圧力差のバランスをとるために、該パージ制御装置を開くステップと
を含む、方法。 Method of operating an electrochemical system having a plurality of fuel cells forming a fuel cell stack, each fuel cell having an ion exchange membrane inserted between an anode electrode layer and a cathode electrode layer (MEA), an anode flow field plate disposed adjacent to the anode electrode layer and configured to direct hydrogen-containing fuel to the anode electrode layer, and disposed adjacent to the cathode electrode layer, the cathode A cathode flow field plate configured to direct oxidant to the electrode layer; at least one storage device disposed downstream of the fuel cell stack; and disposed between the fuel cell stack and the storage device; In a first state allowing fluid communication between the anode flow field plate and the storage device and in a second state discontinuing fluid communication between the anode flow field plate and the storage device And a purge control unit is possible work, the method comprising,
Detecting an increase in load applied to the fuel cell stack and a decrease in at least one magnitude of the pressure and concentration of the oxidant in the fuel cell stack;
Operating in the first state to reduce at least one of the pressure and concentration of the hydrogen-containing fuel into the fuel cell stack and balance the pressure difference of the fuel cell stack Opening the purge control device.
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